Question

8．甲醇和天然气是重要的化工原料，又可作为燃料．根据下面信息回答有关的问题：
（1）在恒定容积为1.00L的密闭容器中，通入一定量的甲醇发生如下反应：CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₁=+99kJ•mol^-1．100℃时，体系中各物质浓度随时间变化如图1所示（平衡时甲醇的转化率记作а₁）．

①在0～60s时段，反应速率v（CO）为0.0010mol•L^-1•s^-1；该反应的平衡常数K₁的值为0.0216或2.16×10^-2．
②已知若在恒压条件下进行，平衡时CH₃OH 的转化率为а₂，则а₂大于а₁（填“大于”或“小于”、“等于”）．
（2）合成CH₄的原理：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1．
其他条件相同，实验测得在T₁和P_l与T₂和P₂条件下该反应的H₂平衡转化率相同，若T₁＞T₂、则P₁＞P₂（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）科学家用氮化镓、铜等材料组装成人工光合系统（如2图），利用该装置成功地实现了以CO₂和H₂O合成CH₄．
①写出铜电极表面的电极反应式CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．
②为提高该人工光合系统的工作效率，可向装置中加入少量硫酸（选填“盐酸”或“硫酸”）．

Answer 1

分析 （1）①先计算甲醇的反应速率，再根据同一化学反应中同一段时间内各物质的反应速率之比等于其计量数之比计算氢气反应速率；
化学平衡常数K=$\frac{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$；
②该反应前后是一个气体体积增大的可逆反应，压强不变，容器体积会增大，与恒容相比相当于减小压强，平衡向气体体积增大的方向移动；
（2）该反应是一个反应前后气体体积减小、放热的可逆反应，所以升温向逆反应方向进行，而加压则向正反应方向进行；
（3）①根据图知，Cu电极上反应物是二氧化碳和氢离子，生成物是甲烷和水；
②电解质溶液呈酸性，加入的酸不能影响产物成分．

解答 解：（1）①v（CH₃OH）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.100-0.040}{60}$mol/（L．s）=0.0010 mol•L^-1•s^-1，同一化学反应中同一段时间内各物质的反应速率之比等于其计量数之比得v（H₂）=v（CH₃OH）=0.0010 mol•L^-1•s^-1；
      CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）
反应前0.100       0       0
反应 0.060      0.060    0.120
平衡0.040       0.060    0.120
化学平衡常数K=$\frac{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$=$\frac{0.060×（0.12{0）}^{2}}{0.040}$=0.0216或2.16×10 ^-2，
故答案为：0.0010 mol•L^-1•s^-1；0.0216或2.16×10 ^-2；
②该反应前后是一个气体体积增大的可逆反应，压强不变，容器体积会增大，与恒容相比相当于减小压强，平衡向气体体积增大的方向移动，所以平衡正向移动，则甲醇转化率增大，故答案为：大于；
（2）则该反应为气体体积减小的放热反应，所以升温向逆反应方向进行，加压则向正反应方向进行，而实验测得在T₁和P_l与T₂和P₂条件下该反应的H₂平衡转化率相同，若T₁＞T₂，所以P_l＞P₂；故答案为：＞；
（3）①根据图知，Cu电极上反应物是二氧化碳和氢离子，生成物是甲烷和水，电极反应式为CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
②电解质溶液呈酸性，加入的酸不能影响产物成分，由于盐酸易挥发，生成的甲烷中会混有HCl气体，应加入硫酸，故答案为：硫酸．

点评 本题考查化学平衡有关计算及原电池原理，为高频考点，侧重考查学生分析计算能力，明确化学平衡常数计算方法及原电池各个电极发生的反应是解本题关键，难点是电极反应式的书写，题目难度不大．